ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение

Как определить диапазон голоса - ваш вокал

Игровые автоматы с быстрым выводом

Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими

Целительная привычка

Как самому избавиться от обидчивости

Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам

Тренинг уверенности в себе

Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком"

Натюрморт и его изобразительные возможности

Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.

Как научиться брать на себя ответственность

Зачем нужны границы в отношениях с детьми?

Световозвращающие элементы на детской одежде

Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия

Как слышать голос Бога

Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)

Глава 3. Завет мужчины с женщиной

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРОЧНАЯ ДУГА

Е.А. Евдомащенко

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К практическим работам

по дисциплине «Теория сварочных процессов»

Решить 3 задачи. Вариант по списку

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания предназначены для практических занятий и для самостоятельной работы студентов с целью более глубокого изучения дисциплины «Теория сварочных процессов».

Работа посвящена изучению электрической сварочной дуги и состоит из двух разделов. В первом изложен теоретический материал с математическими выражениями, описывающими процессы, протекающие в дуге. Этот материал не должен заменять учебник, его цель – напомнить студентам формулы, с которыми он ознакомлен на лекциях. Необходимость собрать все математические выражения диктуются тем, что нужный для решения математический аппарат не представлен ни в одном из учебников. Для стройности изложения, как правило, помимо уравнений приводятся определения и делаются логические вставки между отдельными зависимостями.

Второй раздел состоит из задач, составленных на основе материала, изложенного в первом разделе. Для того чтобы обеспечить самостоятельную работу студентов, каждая задача имеет по двадцать вариантов.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРОЧНАЯ ДУГА

Электрическая дуга – один из видов электрического разряда в газах, характеризующийся высокими значениями плотности тока и температуры. Для осуществления электрического разряда газ между электродами должен помимо нейтральных частиц содержать определенное количество частиц заряженных. Роль заряженных частиц у большинства газов выполняют электроны и положительные ионы, хотя в некоторых случаях приходится считаться и с отрицательными ионами. Образование ионов и поступление электронов в дуговом промежутке обеспечивают процессы ионизации и эмиссии.

Ионизация представляет собой разделение нейтральной частицы газа на ион и электрон. Для того чтобы из нейтрального атома или молекулы получить две заряженные частицы, необходимо с внешней орбиты атома оторвать электрон. Оставшаяся частица, потерявшая электрон, станет положительным ионом.

Для отрыва электрона необходимо затратить энергию, которая называется потенциалом ионизации. Для отделения второго и последующих электронов требуется затрата большей энергии, чем для первого электрона. Поэтому существуют понятия потенциал однократной ионизации (вырывание первого электрона) и потенциал многократнойионизации. Для сварочных процессов характерна однократная ионизация (табл. 1)

Таблица 1

Таблица 1

Потенциал однократной ионизации U_i некоторых атомов и молекул

Продолжение табл. 1

Продолжение табл. 1

Газ, состоящий, наряду с нейтральными частицами, из электронов и ионов, считается ионизированным газом. А если, кроме того, количество отрицательных и положительных зарядов одинаково (квазинейтральность), то такой газ называется плазмой. Для того чтобы газ стал плазмой, в нем должно появиться достаточное количество заряженных частиц. Для характеристики ионизированного газа, или плазмы, введено понятие степень ионизации - отношение числа ионизированных частиц (ионов или электронов) к полному числу частиц:

(1)

где х - степень ионизации;

n_i - число ионов;

n_a - число атомов (нейтральных частиц).

Степень ионизации может изменяться от 0 до 1. По некоторым литературным данным, ионизированный газ может считаться плазмой уже при

x >10^-3.

Для определения степени ионизации газа индийский физик Саха в

1921 г. предложил уравнение

(2)

где p - давление газа, мм рт.ст.

Переводя давление в единицы СИ (Па), получаем

(3)

где a² =2q_{i /}q₀ - квантовый коэффициент, образуемый из статистических весов электронов ( » 2), ионов q_i и нейтральных молекул q₀ ;

р - давление газа, Па;

Т – температура, К;

A_i - энергия ионизации, Дж,

k - постоянная Больцмана, k = 1,38·10^-23 Дж/К.

Значения а², вычисленные К.К.Хреновым, согласно представлениям квантовой механики для разных газов даны в табл. 2.

Таблица 2

Значения квантового коэффициента для газов и паров

Продолжение табл. 2

Расчеты по уравнению (3) могут проводиться для любых степеней ионизации, но следует помнить, что благодаря допущениям, принятым при выводе, их точность понижается при приближении xк единице. В сварочных дугах степень ионизации составляет несколько процентов и потому в левой части уравнения величина x² мала по отношению к единице. Можно принять(1-x²) ≈1. Тогда уравнение (3) примет вид:

(4)

или

(5)

Экспоненту ехр( ) принято представлять как ехр( ). Тогда для сварочных дуг упрощенное уравнение Саха примет вид:

(6)

Такое упрощение уравнения (2) проведено Г.Н.Лесковым. Следует помнить, что уравнение (6) дает удовлетворительную точность при степенях ионизации, не превышающих одну десятую.

Уравнение Саха было выведено для одного газа. В сварочных условиях атмосфера дуги состоит из паров металлов, паров флюса или покрытия, защитных газов, т.е. представляет собой смесь газов. Уравнения для определения степени ионизации смеси в сварочной дуге не существует, но характеристикой процесса ионизации может служить обобщенный потен-циал ионизации всех газов, входящих в смесь. Такой потенциал ионизации смеси газов называется эффективным потенциалом ионизации. Для его определения применительно к условиям сварки предложена формула О.П.Семеновой и В.В.Фролова:

(7)

где U₀ - эффективный потенциал ионизации;

К - количество газов в смеси;

ν= h_i /h - концентрация компонента в смеси;

h_i - количество компонента в смеси, вес. %;

h - масса всей смеси, вес.%.

Уравнение (7) показывает, что эффективный потенциал ионизации в значительной мере определяется легкоионизируемым газом, причем для заметного снижения U₀ не нужны большие концентрации элементов с низким потенциалом ионизации.

При получении достаточного количества заряженных частиц между электродами возникает дуговой разряд, который визуально наблюдается в виде ярко светящегося шнура газа, имеющего температуру в несколько тысяч градусов, и является плазмой. Весь межэлектродный промежуток, в котором горит электрическая дуга, принято разделять на столб дуги и приэлектродные области.Это связано с тем, что плазменный столб дуги не может непосредственно соприкасаться с электродами, так как их температура кипения значительно ниже температуры столба. Поэтому приходится считать, что между столбом и электродом располагается промежуточный слой газа, температура в котором, а также степень ионизации постепенно уменьшаются. В результате этого следует признать, что процессы образования заряженных частиц и переноса тока в столбе дуги и приэлектродных областях различны. В соответствии с тем, у какого электрода расположена приэлектродная область, она будет анодной или катодной. Наличие приэлектродных областей подтверждено экспериментально, а их протяженность считается равной нескольким свободным пробегам ионов или электронов, т.е.

10^-5...10 ^-3 см. Длина же столба дуги составляет основную часть дугового промежутка и равна (1…3)·10^-1см.

Г.И.Лесков предложил схематизировать столб дуги в виде так называемой каналовой модели, согласно которой столб представляет собой цилиндр с условным радиусом r_эф, во всех точках которого температура одинакова. Такое допущение позволило Г.И.Лескову предложить уравнения для определения напряженности электрического поля Е, В/м, средней плотности тока j_ср, А/м² в столбе при атмосферном давлении (р=1,013·I0⁵ Па), радиуса столба r_эф, м:

(8)

(9)

(10)

где q_e– рамзауэровское сечение столкновения атомов с электронами, м² (табл. 3);

а - квантовый коэффициент (а= а²);

I_св – сварочный ток, А.

Таблица 3

Рамзауэровское сечение столкновения

Несколько парадоксальное уменьшение плотности тока при росте тока [см. формулу (9)] объясняется увеличением эффективного радиуса столба [см. формулу (10)].

При рассмотрении анодной области следует учесть, что к аноду летят свободные электроны и с поверхностью анода сталкиваются нейтральные атомы. Большинство ученых считает, что анод не эмитирует ионы, но существует предположение об ударном механизме образования ионовзасчет кинетической энергии электронов. Согласно другой точке зрения,наповерхности анода проходит ионизация атомов за счет потенциальной энергии электронов. Во всяком случае, в нагреве и плавлении металлов роль анодной области велика.

В отличие от анода, катод эмитирует частицы, т.е. на поверхности катода протекают процессы эмиссии. Под эмиссией понимают выделение электрически заряженных частиц с поверхности электрода в приэлектродную область. Применительно к катоду наблюдается эмиссия электронов. Для осуществления эмиссии необходимо затратить энергию, которая называется работой выхода φ. Данные о количественных значениях работы выхода приведены в табл. 4, о температурах кипения - в табл. 5.

Таблица 4

Работа выхода электронов

Материл эмиттера /катода/	C	Ti	V	Fe	Fe с окси­дами	W	W-Th	W-La	W-Ba	W-Cs
, эВ	4,39	4,09	4,11	4,36	3,92	4,5	2,7	2,7	1,6	1,5

Таблица 5

Температура кипения веществ

При сварке неплавящимся электродом может применяться торирован-ный, лантанированный или иттрированный вольфрам. Примеси диффундируют на поверхность электрода и образуют тончайший в один атом слой. Работа выхода такого эмиттера резко уменьшается. При изготовлении электродов для электронно-лучевой сварки применяются также примесные элементы (Ba, Cs) и материалы (ThO₂, LaB₆). Катод с примесными пленками имеет низкую работу выхода лишь при температурах, не достигающих температуры кипения примеси. В дальнейшем примеси испаряются, и электрод работает как чистый вольфрам. При сварке плавящимся электродом в защитных газах иногда применяют активированные проволоки, в которые добавлены рубидий, цезий, барий и другие элементы, повышающие устойчивость горения дуги.

Различают несколько видов эмиссии: термоэлектронную, автоэлектронную, фотоэлектронную и вторичную. Термоэлектронная эмиссия протекает под воздействием высокой температуры, автоэлектронная – электрического поля, фотоэлектронная - лучистой энергии, вторичная -бомбардировки поверхности катода различными частицами, например, положительными ионами. В результате протекания эмиссии возникает эмиссионный ток. Плотность тока термоэлектронной эмиссии описывается уравнением Ричардсона - Дэшмена, А/см²:

(11)

где k – постоянная Больцмана, k = 1/11600 эВ/К;

А – константа, теоретическое значение А= 120 А/(см^{2 .}К²).

Плотность тока автоэлектронной эмиссии может определяться по формуле Фаулера-Нордгейма, А/м²:

(12)

где Е - напряженность электрического поля, В/м.

.

ЗАДАЧИ

Задача №I.Рассчитать по уравнению Саха (3) степень ионизации газа при атмосферном давлении для различных температур. Построить график зависимости степени ионизации газа от температуры для каждого варианта.

Задача №2. Установить влияние давления газа на его степень ионизации при постоянной температуре. Давление газа принимать равным 10¹ , 10², 10³, 10⁴, I0⁵ Па. Расчет производить по уравнению Саха (3). Построить график зависимости степени ионизации газа от давления.

Задача №3. Определить влияние изменения концентрации легко ионизируемого элемента в газовой смеси на эффективный потенциал ионизации при заданной температуре. (по формуле 7)

Построить график зависимости U_o от содержания рассматриваемого элемента. Обратить внимание на действие малых концентраций элемента на величину U_o и сделать вывод об эффективности влияния малых и повышенных концентраций элемента с низким потенциалом ионизации на эффективный потенциал ионизации.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1. Теория сварочных процессов. Учеб. пособие / Под ред. В.В.Фролова. - М.: Высш. шк., 1988. – 559 с.

2. Лесков Г.И.Электрическая сварочная дуга. – М.: Машиностроение, 1970. – 356 с.

Дополнительная

1.Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов: Учебник. – 2-е изд., перераб. – Киев: Выща шк., 1976. – 424 с.

Методические указания для

К практическим работам

по дисциплине «Теория сварочных процессов»

Составитель: Евдомащенко Елена Анатольевна

Компьютерный набор и верстка автора

Подготовка к печати О. А. Мартиросян

Сдано в производство Подписано в печать

Уч.-изд. л. Формат 84´108 1/16. Усл. –печ. л

Изд. № Заказ №

Редакционно-издательский отдел Севмашвтуза

164500, г. Северодвинск, ул. Воронина, 6.

* Для металлов Al, Ti, Ni, Cr, K, Na, Mn, CO величину q_eв первом приближении можно принять как для Fe.